Funktionsweise von Infrarotheizungen

Die molekulare Eigenschwingung von Heizleitern erzeugt infrarote Wärmestrahlung, die dem Strahlungsspektrum der Sonne entspricht.

Infrarotstrahlen durchdringen Luft zu 98%. Die in ihnen enthaltene Energie wird viel effektiver von Raumhülle und Gegenständen (Einrichtung, Bewohner) absorbiert. Die Luft erwärmt sich sekundär – durch die reflektierende Wärmeabgabe der Umgebungsflächen und der Gegenstände im Raum.

Konvektionsheizungen (Heizkörper) erwärmen Räume dagegen überwiegend über die Aufheizung der Raumluft, den schlechtesten Wärmeträger. Die erwärmte Luft steigt nach oben, kalte Luft strömt von unten nach. Es entsteht ein Konvektionsstrom.

Mit den großen Temperaturunterschieden zwischen erwärmter Raumluft und kalten Außenwandflächen geht auch eine ungleichmäßige Verteilung der Feuchtigkeit einher.

Im Unterschied zu konventionellen Heizungen sorgen Infrarotheizungen für eine warme Raumhülle, geringere Lufttemperatur und eine gleichmäßigere Verteilung der Feuchtigkeit. Die Luft ist insgesamt frischer und die Füße bleiben angenehm warm.

Die aus der Umwandlung der zugeführten elektrischen Energie gewonnene thermische Energie gliedert sich in den Strahlungsanteil, den Konvektionsanteil und den Wärmeleitungsanteil.

Der Strahlungswirkungsgrad ist der Strahlungsanteil der gesamten Wärmeleistung.

Wirtschaftlichkeit

Mit Strom heizen ist nur teuer, wenn man versucht, in erster Linie Luft zu erwärmen. Infrarotheizungen hingegen erwärmen im Wesentlichen die Raumhülle. Deswegen werden 3-4°C weniger Lufttemperatur benötigt. Da je 1°C höherer Raumlufttemperatur 6% bis 7% mehr Heizenergie benötigt werden, können so bereits über 20% Heizenergie eingespart werden.

  • Verringerung von Lüftungsverlusten:
    Wegen der geringeren Raumlufttemperatur geht weniger Heizenergie durch Lüftung verloren.
  • Vermeidung von Transmissionswärmeverlusten (trockene/feuchte Wände):
    Das Durchfeuchten von Außenwänden führt zu verminderter Dämmung und damit zu niedrigen Temperaturen der Innenseiten der Außenwände. (Bereits eine Feuchtigkeit von 4% setzt den Dämmwert um ca. 50% herab.)
    Infrarotbeheizte Wandoberflächen werden dagegen warmgehalten und haben eine höhere Temperatur als die Luft. Durch die hohe Oberflächentemperatur wird die Aufnahme von Wasserdampf durch die Wände unterbunden und TransmissionsverlusteStrahlungswärme verhindert.
  • Geringe Investitionskosten
  • Keine Nebenkosten (z.B. Schornsteinfeger)
  • Wartungsfreiheit
  • 100% regenerativ betreibbar
  • Kein Heizraum oder Kamin wird benötigt
  • Keine Verlegung von Heizungsrohren nötig
  • Kein Risiko durch Wasserschäden wegen Heizungsrohrbruch

 

Thermische Behaglichkeit

In der Heizungs- und Klimatechnik bezeichnet (thermische) Behaglichkeit Umgebungstemperaturen und Luftzustand, in denen sich der Mensch am wohlsten fühlt. Ein Heizungssystem soll zu einem behaglichen Raumklima beitragen.

Objektive Messgröße für die Behaglichkeit ist die gefühlte Temperatur. Sie ist abhängig von

  • der Raumlufttemperatur
  • der Strahlungstemperatur der Umgebung
  • der Lufttemperaturverteilung (Luftschichtung)
  • der Luftströmung (Zugluft)
  • der relativen Luftfeuchtigkeit

 

Strahlungswärme

Behaglichkeitskurve

Wenn die Raumwände stark unterschiedliche Oberflächentemperaturen haben, kann dies Einfluss auf die Behaglichkeit haben. Man spricht dann von Strahlungstemperatur-Asymmetrie.

Bereits Temperaturdifferenzen von 1°C pro Höhenmeter werden als störend empfunden. Diese vertikale Verteilung wird auch als Lufttemperaturschichtung bezeichnet. Der Temperaturverlauf sollte möglichst konstant sein.

Je wärmer die Luft ist, desto mehr Feuchtigkeit kann sie aufnehmen. Die relative Luftfeuchtigkeit ist das Verhältnis von aktueller Wassermenge in der Luft zur maximal möglichen Wassermenge bei gegebener Lufttemperatur. Als besonders behaglich wird eine Luftfeuchtigkeit von 40-50% empfunden.

Beim Lüften wird kalte Außenluft, die nur eine geringe absolute Luftfeuchtigkeit besitzt, auf Zimmertemperatur erwärmt und die relative Luftfeuchtigkeit im Raum sinkt weiter ab.

Bei relativer Luftfeuchtigkeit von 30-70%, Luftbewegung bis 20 cm/s und weitgehender Temperaturgleichheit der Raumoberflächen hängt die (thermische) Behaglichkeit nur noch von der operativen Temperatur ab (= Mittelwert aus Raumlufttemperatur und mittlerer Strahlungstemperatur der Raumhülle).

 

Strahlungswärme

 

Tendenziell wird als angenehmer empfunden, wenn die Strahlungstemperatur höher ist als die Lufttemperatur. Da Infrarotheizungen höhere Strahlungstemperaturen als Lufttemperaturen erzeugen, sind diese also auch aus Behaglichkeitsgründen Konvektionsheizungen vorzuziehen.

 

Physikalische Besonderheiten von Strahlungsheizungen

Strahlungswärme

Die physikalischen Grundlagen von Konvektionsheizungen und Strahlungsheizungen sind völlig verschieden:

Bei der Konvektionsheizung (Luftheizung) erfolgt der Wärmetransport durch Wärmeströmung von warmer Luft. Gemäß 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik sind dafür Temperaturdifferenzen erforderlich.

Bei einer Strahlungsheizung vollzieht sich der Wärmetransport gemäß der Quantenmechanik nach Max Planck ohne irgendein Transportmedium nur durch Wärmestrahlung. Sie stützt sich auf folgende physikalische Grundlagen:

  • Die Wärmestrahlung einer Infrarotstrahlungsheizung ist eine elektromagnetische Welle wie das Licht, der Strom, die Mikrowelle, die Radiowellen, die sich alle mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.
  • Die als Infrarotstrahlen für Heizzwecke mit Temperaturen von bis zu 80°C in Frage kommenden Wellenlängen liegen im schmalen Band zwischen 3 und 50 µm (Mikrometer). Sie sind so wie alle temperierten und warmen Flächen gesundheitlich gefahrlos. Elektrosmog liegt selbstverständlich nicht vor.
  • Jede Fläche ist in der Lage, Wärmestrahlen aufzunehmen (Energiegewinn durch Absorption) und auszusenden (Energieverlust durch Emission). Strahlungsenergie wird somit von einer temperierten Fläche zugleich absorbiert und emittiert.
  • Wärmestrahlung erwärmt keine Luft, sondern nur feste und flüssige Körper. Die Raumluft ist durchlässig für Wärmestrahlen und bleibt deswegen kühl und angenehm. Die Temperaturen der Raumumfassungsflächen sind höher als die Lufttemperatur. Die Erwärmung angrenzender Luftschichten erfolgt demzufolge konvektiv erst mittelbar durch die wärmeren Oberflächen. Beim Lüften wird infolge der niedrigen Lufttemperaturen auch Energie gespart.
  • Infolge der nahezu ruhenden Luft (nur sehr geringe Staubaufwirbelung) kann seltener gelüftet werden. Dies spart wiederum Energie.
  • Infrarotwärmestrahlung (> 3µm) durchdringt kein normales Glas. Die Wärmestrahlung verbleibt im Raum.

Die Aufgabe einer Strahlungsheizung besteht einzig und allein darin, temperierte Flächen zu schaffen, die dann durch (infrarote) Wärmestrahlen ein angenehmes Raumklima gewährleisten. Für die Lage der Strahlflächen bieten sich insbesondere die Decke und die Wände an.

 

Die Strahlungsleistung

Die Strahlungsleistung einer temperierten Fläche wird vom Stefan-Boltzmann-Gesetz beschrieben. Demnach ist sie proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur einer Oberfläche. D.h. unabhängig von der Umgebungstemperatur werden Wärmestrahlen emittiert – bedingt allein durch die Oberflächentemperatur.

Strahlungswärme

Eine Konvektionsheizung dagegen braucht zum Funktionieren „Übertemperaturen“. Die Wärmeleistung ist somit proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Heizkörper und Raumluft.

 

Der Strahlungsaustausch

Alle Oberflächen im Raum absorbieren und emittieren Wärmestrahlen. Die höher temperierte Fläche gibt an die niedriger temperierte Energie durch Strahlung ab und umgekehrt. Der Strahlungsaustausch ist somit proportional zur Differenz beider Strahlungsleistungen.

Strahlungswärme

Durch den Strahlungsaustausch gleichen sich die Oberflächentemperaturen im Raum an. Absorbierte und emittierte Wärmeenergie sind dann gleich groß. Es entstehen gleichmäßig temperierte Flächen einschließlich der Möbel – man fühlt sich wohl und behaglich.

 

Der Unterschied zwischen Strahlungsleistung und Strahlungsaustausch

Beispiel 1:

T1=80°C (die Strahlplatte) und

T2=20°C (Wand)

Die Differenz (der Strahlungsaustausch) ist sehr groß.

 

Beispiel 2:

T1=80°C (die Strahlplatte) und

T2=50°C (eine mäßig temperierte Strahlplatte)

Die Differenz (der Strahlungsaustausch) ist wesentlich kleiner.

Die Strahlungsleistung ist insgesamt natürlich höher.

 

Beispiel 3:

T1=80°C (Strahlplatte) und

T2=80°C (weitere Strahlplatte gegenüber)

Die Differenz (der Strahlungsaustausch) ist gleich Null.

Die Strahlungsleistung für den Raum wird jedoch verdoppelt.

 

Offensichtlich entspricht Strahlungsaustausch nicht Strahlungsleistung.

Folglich kann die Formel für den Strahlungsaustausch keinesfalls für die Bestimmung der Strahlungsleistung verwendet werden.

Gesundheitliche Aspekte

Luftaufwirbelung

Hausstauballergiker und Asthmatiker sind sensibilisiert bzw. reagieren allergisch gegenüber dem Kot von Hausstaubmilben, die Rhinitis, Jucken und Asthma auslösen können. Dieser Kot haftet am Hausstaub und wird mit jeder Form von Konvektion „aufgewirbelt“. Je niedriger der Konvektionsanteil einer Heizung desto besser für den Allergiker.

Strahlungswärme

Trockene Heizungsluft

Bei konventionellen Heizungen (Konvektionsheizungen) entsteht das Gefühl der trockenen Heizungsluft. Geringe relative Luftfeuchtigkeit kann zu gesundheitlichen Problemen führen:

  • Verminderte Atemleistung: der Sauerstoff gelangt über die Lungen schlechter in die Blutbahn.
  • Die Hautfeuchtigkeit ist mit der Luftfeuchtigkeit eng gekoppelt. Deshalb benötigt die Haut eine ausreichende Luftfeuchtigkeit, um nicht auszutrocknen. Auch die Anfälligkeit für Hautreizungen und -rötungen oder gar -entzündungen wird durch eine geringe Luftfeuchtigkeit erhöht.
  • Schleimhäute verfügen nur über einen geringen Verdunstungsschutz. Daher sind sie anfällig auszutrocknen. Zur Erhaltung ihrer Funktionen sind sie auf hohe Feuchtigkeit angewiesen. Eine geringe Feuchtigkeit der Nasenschleimhaut kann nämlich ein erhöhtes Auftreten von Nasenbluten zur Folge haben. Auch kann die Immunabwehr der Schleimhaut geschwächt (erhöhtes Erkältungsrisiko) und deren Fähigkeit zum Stoffaustausch herabgesetzt werden.
  • Trockene Augen: Bei geringer relativer Luftfeuchtigkeit leiden viele Menschen unter roten, brennenden oder juckenden Augen – insbesondere Kontaktlinsenträger. Der Tragekomfort der Kontaktlinsen ist eingeschränkt. Augenärzte empfehlen daher generell, trockene Heizungsluft und Zugluft zu vermeiden.

Durchblutung

In der Physiotherapie wird Infrarot-C-Strahlung bei Überlastungen des Bewegungsapparates und bei der Behandlung von Durchblutungsstörungen eingesetzt. Eine Infrarotheizung hat also tendenziell einen positiven medizinisch-therapeutischen Effekt.

 

Strahlungswärme

Schimmelgefahr

Die in der warmen Raumluft enthaltene Feuchtigkeit kondensiert durch Abkühlung an den kalten Innenflächen der Außenwände. Kondensat kann zu Schimmelbildung führen, insbesondere in Zimmerecken, hinter Möbeln, Vorhängen und anderen verdeckt liegenden Stellen, die stärker abkühlen als der Rest der Wand. Um Schimmelwachstum zu vermeiden, sollte zu keinem Zeitpunkt die Luftfeuchtigkeit – auch nicht an einzelnen Stellen – über 80% ansteigen.

Mögliche durch Schimmel ausgelöste Symptome sind vielgestaltig und recht unspezifisch, dazu gehören:

  • Husten
  • Schnupfen
  • Bindehautentzündung
  • Asthma
  • Hautveränderungen
  • Migräne
  • Magen-Darm-Beschwerden
  • Gelenkbeschwerden

Da beim Einsatz von Infrarotheizungen die Wände wärmer als die Luft sind, entsteht Kondensat gar nicht erst. Bereits enthaltene Feuchtigkeit wird den Wänden entzogen.